时变电磁场的应用.ppt

时变电磁场的应用,一、时变电磁场定义,二、时变电磁场产生原理,三、时变电磁场微波应用,四、时变电磁场的其他应用,时变电磁场的含义，顾名思义，即为场量随时间变化的电磁场。 电场的场量随时间变化时伴随有磁场,磁场的场量随时间变化时伴随有电场。电场与磁场两者相互依存,互为因果,形成统一的电磁场。静电场或静磁场是能够独立存在的,这是静态场和时变场的重要区别。某处的电场或磁场一旦随时间变化,就将以波的形式向四周传播,形成电磁波。 由于时变电磁场与静态的电场和磁场有显著的差别，会出现一些由于时变而产生的效应。这些效应有重要的应用，并推动了电工技术的发展。,时变电磁场定义,基于法拉第在静电场中提出的电磁感应定律，麦克斯韦进行了大胆的猜想。并用数学的推理方法对法拉第的电磁感应定律进行了补充说明。从导体回路推广到任意回路，这不仅仅是拓展了电磁感应定律的应用范围，更为有意义的是，它拓展了电磁感应的长度与宽度。 麦克斯韦方程表明，不仅磁场的变化要产生电场，而且电场的变化也要产生磁场。时变场在这种相互作用下,产生电磁辐射,即为电磁波。这种电磁波从场源处以光速向周围传播，在空间各处按照距场源的远近有相应的时间滞后现象。 电磁波还有一个重要特点，它的场矢量中有与场源至观察点间的距离成反比的分量。这些分量在空间传播时的衰减远较恒定场为小。按照坡印廷定理，电磁波在传播中携有能量，可以作为信息的载体。,时变电磁场产生原理,时变电磁场的应用,1）概念 在无线电频谱中，将300MHz-3000GHz的电磁波称为微波。即波长为1m0.1mm的电磁波称为微波。 2）特点 似声性：微波波长与物体尺寸可以比拟时，具有似声性（声波波长大于或略大于物体）。 似光性：当微波波长比物体尺寸小得多时，具有似光性。 聚焦性：微波具有方向性强的特点，能量集中于某一方向，实现远距离通信，可制作方向性很高的抛物面天线，且具有保密性强、抗干扰能力强等优点；可制作凸透镜、探照灯等； 量子特性,微波,似声性的应用有： a)做为号角天线，相当于声学中的喇叭（广播：声音扩散面大） b)做为波导管，相当于声学中的传声筒（直筒） c)做成谐振腔：相当于声学中的共鸣器（谐振腔与LC谐振回路像比拟） d)做成开槽天线：相当于声学中的笛或萧（可用于漏泄通信、电磁测量）,似光性主要应用有： a）直线传播 微波中继通信（如电视、通信），无线电定位（GPS）的应用等。 b）折射、反射、绕射,空间电离层结构,由于太阳紫外线及宇宙射线的照射使大气层产生电离，形成多层等离子体层状结构，它是一种带电粒子，相当于金属导体又不完全相同。微波电磁波可以在松散的离子中绕行而穿透，而波长较长的电磁波，则不能通过电离层，即电离层成为这种电磁波的反射面。 电离层对电磁波传播的影响。 普通无线电波（300MHz以下的电磁波）： 电离层对普通无线电波产生极强的反射（几乎为全反射），实现环球通信。 波长较短的电磁波微波：能穿透电离层，所以可实现宇宙通信，故称为观察宇宙之窗。在此基础上形成宇宙通信、卫星通信及导航、射电天文学，遥控和遥测等技术领域。,聚焦性的主要应用,电磁波具有波粒二重性：波动性（传播）和粒子性（能量子） 微波能量范围处于生物细胞精细能级之中，可改变生物细胞结构。由此可以想象应用电磁波可能改变生物和人类的细胞结构甚至改变遗传基因等。 量子特性的应用。 a)热效应： 特点物体内外同热（如微波炉），加热均匀，快捷 b)量子效应： 生物效应：如生物快速生长，或杆壮或叶多，科学长寿 遗传学：如西红柿种子，高产、红、甜等；如鸡多生蛋 酿造业：如造酒,量子特性的主要应用,电磁炉,时变电磁场的其他应用,磁炉是一种利用电磁感应原理将电能转换为热能的厨房电器。它有两种类型：一种是利用工频电流进行感应加热;另一种是利用15 kHz以上的高频电流进行感应加热。前者称为“工频电磁炉“,后者称为“高频电磁炉“。 工频电磁炉无需进行工频到高频的变换电路,电路复杂性较小;但是,需要特殊的复合材料(一般为不锈钢、铁、不锈钢、铝四层复合)制成的烹饪锅具才能正常工作。高频电磁炉需要设置高频变换和控制电路,但无需复合材料制成锅体。家用电磁炉一般采用高频模式。,时变电磁场的其他应用,食品应用,肉类制品的微波干燥杀菌 各熟食厂家生产的各熟食店柜台上摆放的诸如：五香猪蹄、动物的内脏熟食、火腿、西式红肠、各类酱卤肉、鸡肉、鸭肉等等；其保鲜期均十分短、一般最长也不超过三天就腐烂了。如果采用微波对其杀菌保鲜后，其鲜美度、嫩度、风味均保持原味，保鲜期可达到3个月以上，已广泛应用于牛肉干、猪肉脯、鱼片、等肉制品的干燥、杀菌、保鲜，其中牛肉干可达6个月以上。,微波加热： 微波具有一定的能量（电磁场能）。在一定的条件下，它作为一直工能源予以应用，微波对物料的作用有物理、化学、生物等效应，可用于各种目的，但应用最广泛的是微波加热。 微波加热是极高频率的电磁振荡作用于具有电极性的物料分子，使其分子排列趋向剧烈变化，而产生激烈的类似于“摩擦”的效果。使物体变热。此过程即微波的电磁场能量转化为热能。水分子是极性分子，强烈吸收微波。含有水分的物料在受到足够的微波辐射时，其中的水分子吸收微波很快的升温蒸发，物料得以迅速干燥。,微波杀菌是微波的热效应和生物效应共同作用的结果。 微波对细菌的热效应是使蛋白质变性，使细菌失去营养、繁殖和生存的条件而死亡；生物效应是微波电磁场改变细胞膜断面的电位分布，影响细胞周围电子和离子浓度，从而改变细胞膜的通透性能，细胞因此营养不良，不能正常新陈代谢，细胞结构功能紊乱，生长发育受到抑制而死亡。 此外，决定细胞正常生长和稳定遗传繁殖的核酸（RNA）微波制茶工艺 充分发挥微波微波热效应和非热特殊效应作用，升温速度快，茶叶中的水分子在微波电磁场中被极化，使茶叶从内部深层快速升温，达到钝化酶的 临界点温度，非常适合绿茶及其它特种茶的杀青和干燥作业。茶叶的有效营 养成分基本不损失，而且色、香、味都大大好于传统的加工方法。,19世纪，英国科学家法拉第发现，位于磁场中的导线在通电时会受到一个力的推动，同时，如果让导线在磁场中作切割磁力线的运动，导线上也会产生电流。这就是著名的法拉第电磁感应定律。 根据这一定律人们发明了如今广泛应用的发电机和电动机，它也是电磁炮的基本原理，或者说，电磁炮不过是一种比较特殊的电动机，因为它的转子不是旋转的，而是作直线加速运动的炮弹。一个最简单的电磁炮设计如下：用两根导体制成轨道，中间放置炮弹，使电流可以通过三者建立回路。把这个装置放在磁场中，并给炮弹通电，炮弹就会加速向前飞出。,时变电磁场的其他应用,电磁炮,时变电磁场的其他应用,生物效应,电磁场的生物效应可以分为热效应、非热效应以及累积效应。对电磁场生物效应的研究最初起于对电磁辐射的研究。根据不同频率电磁场与生物组织相互作用机制的不同，通常将其分为三个频段：静电场（0Hz）和极低频（ELF,0300Hz）、中频（300Hz10MHz）和无线电频率（RF,10MHz300GHz）。RF辐射，特别是高强度的辐射，可使机体产热，即热效应，所造成的危害是肯定的。机体在反复接触低强度RF辐射后，体温虽无上升，但会发生机体结构改变和功能紊乱等现象，即非热效应。,1 ）热效应 电磁场的热效应首先体现在太阳的可见光照、红外线取暖设备及微波炉食品加热等日常生活中，其它的包括X射线、射线等放射线和手机等高频辐射。射频电磁通过对水的影响进而影响全身多个器官系统，对人体健康的影响主要包括神经、心脑血管、血液、免疫、内分泌和消化等系统。 由于生物体中的水是具有一定偶极矩的微观小分子，其转动频率是处在微波范围内，所以它可以吸收一定频率和强度的微波，并将其转化为水分子无规则运动的热能，水温升高。同时生物组织内的离子在电磁场作用下产生迁移而引起传导电流。该传导电流通过一定点组织的组织时产生热量，使机体升温。由于电磁波是穿透生物表层直接对内部加热，由热效应引起的机体升温，往往机体表面看不出什么，而内部组织却已受损。应当注意高强度微波辐射，它会诱发癌症发病、眼睛失明、体温高、心率加快、血压升高、喘气、出汗等症状。,2） 非热效应 非热效应是一种无法用温度变化来解释的特殊效应 人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦受到外界电磁场的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场即将遭到破坏，这是低频波产生的影响，即人体被电磁波辐射后,体温并未明显提高,但已经干扰了人体的固有微弱电磁场，即非热效应,使血液、淋巴和细胞原生质发生改变,造成细胞内的脱氧核酸受损和遗传基因发生突变畸形,进而诱发白血病和肿瘤,还会引起胚胎染色体改变,并导致婴儿的畸形或孕妇的自然流产。电磁辐射作用于神经系统,影响新陈代谢及脑电流,使人的行为发生变化及相关器官发生变化,进而影响人体的循环系统、免疫及生殖和代谢功能,严重的甚至会诱发癌症。,3 ）累积效应 热效应和非热效应对人体造成伤害后，若在人体尚未来得及自我修复之前,再次受到电磁辐射的话,其伤害程度就会发生累积,久之会成为永久性病态。对于长期接触电磁辐射的群体,即使功率很小,频率很低,应引起警惕。多种频率电磁波特别是高频波和较强的电磁场作用人体的直接后果